Links between annual surface temperature variation and land cover heterogeneity for a boreal forest as characterized by continuous, fibre-optic DTS monitoring

連続的光ファイバーDTSモニタリングによって特徴づけられた北方林における地表面温度の変動と土地被覆タイプの不均一性との関係

斉藤 和之*; 岩花 剛*; 伊川 浩紀*; 永野 博彦   ; Busey, R. C.*

Saito, Kazuyuki*; Iwahana, Go*; Ikawa, Hiroki*; Nagano, Hirohiko; Busey, R. C.*

アラスカ内陸部の北方林における気温および地温の空間分布および時間変動を観測するため、光ファイバ温度分布計測(DTS)システムを導入した。この森林における地表面温度の範囲は、冬季の-40Cから夏季の30Cまでであった。DTSシステムの全ケーブル長は2.7kmで、そのうちの2.0kmで地表面温度の水平分布を30分ごとに0.5m間隔でモニターした。また、残りのケーブルを垂直コイル形状(1.2m高さ)に配置し、5mm分解能の鉛直温度プロファイルを数か所で測定した。測定は、2012年10月から2014年10月までの2年間、連続的に行われた。森林の主な植生は、永久凍土上に生育するクロトウヒであり、監視区域内の土地被覆タイプは、サーモカルスト状の沼,オープンモス,低木,落葉樹林,疎な針葉樹林、および密な針葉樹林の6つのカテゴリーに分類された。地表面温度の水平分布データは、日周変動と季節変動の両方について、特徴的な時空間パターンを示した。スノーパックの発達とその断熱効果は、土地被覆タイプと共に変化した。鉛直温度プロファイルモニタリングによって、気温,積雪温、および地温の高分解能データが収集された。また、本調査では、高緯度地域生態系へのDTSシステム導入・維持に際して発生しうるいくつかの技術的課題も明らかにされた。

A fibre-optic DTS (distributed temperature sensing) system using Raman-scattering optical time domain reflectometry was deployed to monitor a boreal forest research site in the interior of Alaska. Surface temperatures range between -40C in winter and 30C in summer at this site. In parallel experiments, a fibre-optic cable sensor system (multi-mode, GI50/125, dual core; 3.4mm), monitored at high resolution, (0.5m intervals at every 30min) ground surface temperatures across the landscape. In addition, a high-resolution vertical profile was acquired at one-metre height above the upper subsurface. The total cable ran 2.7km with about 2.0km monitoring a horizontal surface path. Sections of the cable sensor were deployed in vertical coil configurations (1.2m high) to measure temperature profiles from the ground up at 5mm intervals. Measurements were made continuously over a 2-year interval from October 2012 to October 2014. Vegetation at the site (Poker Flat Research Range) consists primarily of black spruce underlain by permafrost. Land cover types within the study area were classified into six descriptive categories: relict thermokarst lake, open moss, shrub, deciduous forest, sparse conifer forest, and dense conifer forest. The horizontal temperature data exhibited spatial and temporal changes within the observed diurnal and seasonal variations. Differences in snow pack evolution and insulation effects co-varied with the land cover types. The apparatus used to monitor vertical temperature profiles generated high-resolution (ca. 5mm) data for air column, snow cover, and ground surface. This research also identified several technical challenges in deploying and maintaining a DTS system under subarctic environments.